建物致知:动物所开发染色体编辑新技术创建全新核型小鼠

  2022年8月26日,Science 杂志在线发表了js6666金沙安全下载、北京干细胞与再生医学研究院李伟研究员与周琪研究员团队合作完成的题为A sustainable mouse karyotype created by programmed chromosome fusion 的研究论文。该研究首次实现了哺乳动物完整染色体的可编程连接,并创建出具有全新核型(染色体组型)的小鼠。这项工作意味着生物工程技术的再次突破,为深入认识哺乳动物染色体大规模重构等结构变异对其生长发育、繁殖演化、乃至物种形成等的分子机制,开拓了“建物致知”的合成生物学研究策略并奠定了相应的技术平台。

  染色体是遗传物质DNA的主要载体,其在细胞中的组成及形态特征被称为核型(染色体组型)。在漫长的生物演化过程中,染色体会发生重排(Chromosomal Rearrangement),啮齿类动物每百万年就会积累3.2-3.5种染色体重排,而灵长类动物在每百万年也会积累1.6种染色体重排。最典型的例子是灵长类动物进化过程中,两条端着丝粒染色体通过罗伯逊融合形成了人类的2号染色体,而这两条染色体在黑猩猩中却仍然是分离的,因此人类有46条染色体,但黑猩猩却有48条染色体。除了对于物种进化的重要意义,个体水平上发生的染色体重排往往会导致疾病的发生,如单亲二倍化,不孕不育和儿童白血病等等。因此,在实验室建立精准的染色体重排工程技术,对于研究染色体重排在物种进化、个体生殖发育与疾病中的作用具有重要价值。近些年,随着基因组编辑技术的进展,染色体精准重排率先在基因组组成简单且为单倍体的酵母上获得成功。但是哺乳动物基因组比酵母基因组复杂得多,目前对哺乳动物染色体的重排只限于亚染色体水平,在哺乳动物上进行完整染色体的重排仍然面临巨大挑战。

  本研究利用小鼠单倍体干细胞和基因编辑工具,建立了哺乳动物染色体可编程连接技术,成功将最长的染色体1号和2号(哺乳动物染色体通常按照长度由大到小顺序编号)、以及中等长度的5号和4号染色体进行首尾连接,通过染色体DNA-FISH,核型分析,以及HiC等方式进一步确认了染色体的连接,同时发现染色体连接过程中可能会发生染色体的断裂和重新连接。这些结果表明两条独立存在的染色体可以通过基因编辑后非同源末端连接修复的方式连接为同一条染色体,从而首次实现了哺乳动物的完整染色体重排。

  在此基础上,研究人员进一步研究了特定染色体重排连接产生的生物学影响。在细胞表型层面上,染色体连接后干细胞的多能性基因表达以及分化没有发生明显的变化,而最长染色体连接(2号和1号染色体连接)的单倍体干细胞二倍化速率显著加快,且已经成为二倍体的胚胎干细胞及神经干细胞中仍会发生自发多倍化。研究证实,该现象是由于染色体长度过长致使细胞分裂异常而导致。也证明了哺乳动物细胞的染色体长度存在一定限制,对小鼠细胞而言,染色体长度上限范围在308.3Mb – 377.6Mb之间。

  为了解答特定染色体重排在动物表型层面上的影响,研究人员通过单倍体干细胞注射到卵母细胞的方式获得染色体连接的小鼠。研究发现不同的染色体连接对小鼠产生了不同的影响,其中最长的染色体连接(2号和1号染色体连接)使得胚胎发育不能正常进行,胚胎停滞于 E12.5之前;1号和2号染色体连接后,1号染色体断裂重新连接17号染色体,产生的小鼠则表现出了生长曲线和行为学的异常;4号和5号染色体连接的小鼠则没有表现出明显的异常。连接后的染色体还能够传递到后代小鼠,且进一步交配可以产生纯合小鼠,也就证明了两条染色体的连接不会导致绝对的生殖隔离。但携带连接染色体的小鼠生殖力明显下降,进一步探索发现,连接后的染色体虽然仍然能够与两条分离的同源染色体进行正常联会,但是联会后的同源染色体分离会出现异常。这些发现解析了染色体连接会对动物发育、行为和生殖等产生多方面的影响。

  最后,研究人员还综合分析了染色体空间结构在胚胎干细胞、神经干细胞和脑内的变化趋势,发现随着分化的进行,染色体的空间结构变化随着分化而减弱。

  该研究首次建立了哺乳动物完整染色体可编程连接的新技术,实现了对于超大规模基因组的编辑,为哺乳动物合成生物学增添了新的研究工具。利用合成生物学“建物致知”的研究思路,借助核型重构的独特细胞和小鼠模型,研究发现了染色体长度的限制,为哺乳动物合成生物学进行染色体设计合成提供了重要参考;揭示了染色体重排对生殖的影响,证明了染色体重排与生殖隔离的相关性,为进化生物学研究提供了新的思路。这项研究也为建立染色体重排疾病的动物模型,研究染色体重排导致的不孕不育和肿瘤等疾病的发病机制提供了新的技术手段。

  js6666金沙安全下载博士后王立宾、副研究员李治琨、博士后王乐韵、博士后许凯和博士生季甜甜为本文的共同第一作者。js6666金沙安全下载李伟研究员、周琪研究员为本文共同通讯作者。参与本课题的还有js6666金沙安全下载的毛伊幻、马思楠、刘超、王丽颖、舒由嘉、杨宁以及安诺优达基因科技有限公司的刘涛、涂成芳、赵倩和范旭宁。

染色体连接示意图及FISH检测结果

染色体连接小鼠“小竹”,拥有独特的染色体组型

  原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm1964

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